Овладение контролем ЭМИ в дизайне печатных плат: Как разрабатывать печатные платы с низким уровнем ЭМИ

Добро пожаловать в четвертую статью нашей серии о Освоении контроля за электромагнитными помехами (EMI) в дизайне печатных плат. В этой части мы рассмотрим продвинутые аспекты управления электромагнитными помехами, которые критически важны для эффективного проектирования печатных плат.

При проектировании печатных плат (PCB) ключевой задачей является обеспечение того, чтобы ваша разработка прошла тесты на излучаемые и проводимые помехи. Это важно для соответствия нормативным стандартам и обеспечения надлежащей работы вашей печатной платы в предполагаемой среде, без создания помех другим устройствам и системам.

Не менее важно достичь устойчивости как к внешним, так и к внутренним излучениям, что помогает обеспечить надежность и производительность вашего конечного продукта.

Рисунок 1 - Пример дизайна печатной платы в Altium Designer®

При проектировании с учетом Электромагнитных помех (EMI), важно понимать, что излучения в основном вызваны изменениями токов в наших цепях, а не напряжением. Это означает, что все цепи неизбежно излучают некоторый уровень электромагнитного излучения из-за внутренних изменений тока в них. Ключевая задача для дизайнеров - управлять и контролировать степень этого излучения.

Для достижения лучшей Электромагнитной совместимости (EMC), нам нужно сосредоточиться на проектировании печатных плат, которые эффективно ограничивают и минимизируют эти электромагнитные излучения.

Это включает в себя решение двух основных типов излучений:

• Излучения от дифференциальных токов;
• Излучения от общих токов.

Рисунок 2 - Дифференциальные против общих токов в цепи (путь возврата общего тока не показан). Ссылка: Дарио Фресу

Простейший способ понять эти токи - представить дифференциальные токи, как течущие в "противоположных направлениях" по разным путям, в то время как общие токи текут в одном и том же "общем" направлении вдоль путей цепи.

Как минимизировать излучения от дифференциальных токов

Дифференциальные токи необходимы для нормальной работы цепи. Эти токи текут между интегральными схемами (ИС) и компонентами и являются частью дизайна цепи на печатной плате.

Они движутся по петлям, определенным компоновкой цепи, и размер этих петель влияет на уровень производимых излучений. Чем больше петля (т.е. больше площадь), тем выше излучения. Кроме того, более высокие частоты приводят к увеличению излучений.

Чтобы уменьшить эти излучения, у нас есть несколько стратегий:

1. Снижение тока, протекающего по дорожкам
2. Уменьшение частоты токов
3. Минимизация площади контуров тока

Снижение тока и частоты (варианты 1 и 2) часто непрактично, поскольку это может значительно повлиять на эффективность схемы. Наиболее практичный подход, который могут более прямо контролировать разработчики печатных плат, заключается в минимизации площади, охватываемой этими контурами тока.

Рисунок 3 - Пример контура тока на печатной плате в Altium Designer®

Очень эффективным методом является использование плоскости возврата рядом с сигнальными дорожками в стеке слоев. Таким образом, площадь, охватываемая прямым и обратным током, становится очень маленькой, что минимизирует излучения. Это, наряду с максимальным сокращением длины сигнальных дорожек, обеспечит лучший результат с точки зрения снижения излучений от дифференциальных токов.

Конечно, размещение компонентов, снижение перекрестных помех сигналов и управление другими механизмами связи, которые могут передавать шум на близлежащие кабели, также важны для снижения излучений. Однако эти факторы вторичны по сравнению с основной техникой минимизации площади контуров тока.

Этот метод оказывает более прямое и значительное влияние на снижение излучений, поскольку он адресует коренную причину излучений дифференциальных токов.

Как минимизировать излучение от токов общего режима

Еще один важный тип тока, о котором должны знать разработчики, - это токи общего режима. В отличие от токов дифференциального режима, которые специально предусмотрены в схеме, токи общего режима не учитываются явно на схематических изображениях. Эти токи не необходимы для работы схемы и в основном возникают из-за паразитных элементов в конструкции.

Выявление и контроль за этими паразитными токами может быть довольно сложной задачей, поскольку их источники не всегда очевидны. Токи общего режима обычно генерируются, когда токи дифференциального режима проходят через паразитные элементы в схеме.

Рисунок 4 - Пробелы в плоскостях возврата часто являются причиной излучения общего режима (Altium Designer®)

Эти паразитные элементы особенно встречаются в проводниках возврата, которые обычно называют “Земля” или “Сигнальная земля”. Проблема с паразитными элементами в проводниках возврата в основном возникает из-за того, что на самом деле компоненты и проводники не идеальны и далеки от идеала.

Например, медные дорожки в схеме имеют не только сопротивление, но и проявляют индуктивность и емкость. Эти паразитные свойства становятся все более значимыми по мере увеличения частоты сигналов.

В отличие от дифференциальных помех, которые в основном зависят от размера токовой петли, токи общего режима в основном зависят от длины проводников и частоты помех. Однако влияние длины проводника становится менее значимым после определенного момента, который мы здесь дальше рассматривать не будем.

Для электрически коротких кабелей, эмиссии тока общего режима могут быть смоделированы как передача антенны дипольного (или монопольного) типа, а не передача антенны петлевого типа. Это изменение в моделировании влияет на способы производства и контроля эмиссий.

Для эффективного снижения эмиссий от токов общего режима на источнике, мы должны рассмотреть следующие стратегии:

• Уменьшить количество тока общего режима;
• Снизить частоту тока общего режима;
• Минимизировать длину проводников, способствующих эмиссиям общего режима.

Ключевая стратегия заключается в сокращении длины сигнальных трасс. Хотя не всегда возможно укоротить все проводники из-за ограничений системы, разработчики должны стремиться минимизировать длину трасс где это возможно. Это усилие помогает снизить эмиссии с печатной платы, особенно поскольку частоты сигналов продолжают расти.

Использование сплощной медной плоскости в качестве плоскости возврата и опорной плоскости является еще одной эффективной техникой. Этот метод уменьшает индуктивность, через которую должен проходить ток возврата, тем самым снижая общий источник напряжения режима, который вызывает эти излучения.

Предоставляя путь с низким импедансом для токов возврата, сплощная медная плоскость (без разрывов или разрезов) помогает поддерживать целостность сигнала и уменьшать ЭМП.

Как минимизировать излучения с помощью сквозных переходов

Еще одна рекомендуемая техника для снижения общих излучений в многослойных структурах с несколькими опорными плоскостями возврата заключается в использовании сквозных переходов между этими плоскостями. Сквозные переходы соединяют различные слои возврата, обеспечивая их нахождение на одном и том же электрическом потенциале. Это соединение помогает уменьшить общие источники напряжения режима, которые вызывают излучения в режиме дипольной (или монопольной) антенны, что может значительно уменьшить нежелательный шум и ЭМП.

Рисунок 5 - Пример сквозных переходов в Altium Designer®

Помимо снижения общих излучений, сквозные переходы жизненно важны для обеспечения надежного пути возврата тока и опорного потенциала для сигналов, переходящих между слоями в стеке. Это предотвращает излучения между плоскостями, которые в противном случае могли бы не только влиять на ЭМП, но и на целостность сигнала и общую производительность печатной платы.

Заключение

При проектировании печатных плат (PCB) с учетом эффективного контроля за электромагнитными помехами (EMI) наличие правильных инструментов является ключевым. Продвинутое программное обеспечение для проектирования PCB позволяет управлять различными параметрами дизайна и гарантирует, что ваши платы создаются с исключительной точностью и эффективностью. Эти инструменты критически важны для обработки сложных требований к дизайну и подтверждения того, что ваши стратегии снижения EMI корректно применяются, что приводит к более надежным и высокопроизводительным PCB.

Altium Designer® выделяется как примерный инструмент в этой области, предлагая бесшовную интеграцию в ваш рабочий процесс проектирования. Он обеспечивает гибкость и продвинутые возможности, необходимые для полного использования вашего опыта и страсти к проектированию PCB, что упрощает реализацию эффективных стратегий контроля EMI.

Чтобы продолжать совершенствовать ваши проекты PCB, важно оставаться в курсе. В нашей следующей статье мы рассмотрим стратегии развязки для сетей распределения питания (PDN), предоставляя вам еще больше информации для улучшения ваших практик проектирования.

Не пропустите последние обновления и ценные материалы — следите за Altium® на их страницах и в социальных сетях.

Ощутите преимущества передовых инструментов проектирования печатных плат на собственном опыте, начав свою бесплатную пробную версию Altium Designer® + Altium 365™ уже сегодня. Присоединяйтесь к сообществу ведущих дизайнеров и узнайте, как эти инструменты могут значительно улучшить вашу работу.